能源行业：金属切削-能源转型的推动者？

金属切削 –能源转型的推动者？Whitepaper2金属切削—能源转型的推动者？据国际能源署（IEA）预测，到2027年，全球能源需求年均增长率将接近4%。其中，中国的电力消耗年上升率甚至将达到约6%。据IEA称，新增需求的85%来自新兴经济体和发展中国家。** 来源：www.manager-magazin.de然而，能源项目能否真正实现其经济效益目标，并非取决于规划阶段。真正的考验在于实施阶段！在那里，CAD渲染图将转化为重达数吨的精密部件；在那里，设备运行时间、部件参数和工期窗口不留任何出错的余地。汽轮机缸体和叶片、压缩机、转子、齿轮箱和轴承等部件是现代能源设施的支柱。其质量直接决定了设备效率、运行可靠性、使用寿命以及供电安全性。此外，它们也是整个价值链中成本最高的环节之一。因为此类零部件的加工过程复杂、风险高且成本昂贵。高合金钢、难切削的高温合金以及大尺寸工件对机床、刀具和流程提出了严峻挑战。每次刀具崩刃、每次返工以及每次停机都会对成本和工期产生负面影响。图片来源：Adobe Stock全球对能源的需求正在迅速上升。这使能源行业面临其历史上较大的挑战之一。主要因素包括日益普及的电动汽车、热泵、电池生产、用于制氢的电解技术—当然还有人工智能！因为随着人工智能数据中心的迅猛增长，其能源需求也在显著增加。 此外，全球人口的增长—尤其是新兴市场和发展中国家—及其能源需求也在不断增加。受此影响，该行业正经历一场深刻的转型：可再生能源正得到大规模扩建。与此同时，化石能源设施也在技术上不断升级和现代化改造。最后但同样重要的是，正在规划建设新的核电站，这些核电站将依靠被动系统和创新冷却剂来提高安全性。 通过采取此类措施，该行业正在推动效率、供应安全性和竞争力的提升。与此同时，投资规模达到历史最高水平，成本不断上升，时间压力日益增大，供应链的不确定性也在不断加剧。3金属切削—能源转型的推动者？现代切削技术是成功的关键因素以汽轮机为例：用于燃气、蒸汽和核电站的汽轮机叶片及缸体对材料要求极高，且需要经过复杂的制造工序涵盖大平面铣削、连接界面精密加工等多道工序。此外，部分加工工序需在后续制造阶段才进行—若加工过程不稳定，极易造成巨大的经济损失。风能领域的大型零部件所面临的形势同样严峻：现代海上风力发电机的转子轴和轴承部件尺寸极大*，必须满足对尺寸精度、表面质量和重复定位精度特别高的要求。* 因此，迄今为止制造的全球最大的风力发电机叶片长度约为130米，重达60吨。（来源—截至2023年：https://www.cpmax.com/de/rotorwiki）先进解决方案能带来可量化的竞争优势高性能刀具和优化的切削策略可缩短加工时间，并加快项目进度。返工和废品率被降至最低。效率得到提升。 生产过程中的能源和资源消耗得以降低。总体而言，先进的生产解决方案不仅能加速制造流程、将风险降至最低、确保规划的可靠性，还能持续提升效率。这使得切削加工远不止是生产流程中的又一个操作环节，它对总体拥有成本**、产品上市周期***以及投资安全性都产生了重大影响。** 总拥有成本*** 产品上市周期简而言之：战略性地运用现代切削技术，不仅能优化生产流程和提升零部件质量，还能降低成本，并为可靠且具有未来前景的能源供应奠定工业基础。本白皮书阐述了现代刀具产品和加工策略如何使能源设备工件的生产更加快速、经济且可靠。透平叶片需承受极高的热应力和物理应力。只有高温合金才能满足这一要求，但这类材料同时又难以切削加工。图片来源：Adobe Stock。金属切削— 能源转型的推动者？第一章 不仅方案至关重要，实施同样重要第一章 材料、工件及切削加工的持续应力试验第一章 现代刀具和工艺流程如何创造经济效益第一章 总结与展望5金属切削—能源转型的推动者？能源项目几乎总是从数字设计图开始。设计CAD模型、对设备进行仿真、优化效率、计算载荷工况并预测使用寿命。 数字孪生和虚拟调试实现了前所未有的规划深度。然而，尽管这些数字工具功能强大，但项目的成败并非取决于屏幕上的表现，而是取决于工业现实中的表现—即经济性、工期遵守情况和设备库存状态。任何在技术上令人信服的方案，其价值都取决于其可实施性在实际生产中，这意味着：工件不仅要能正常工作，还必须能够经济高效地制造出来。然而，工件越复杂、质量越高，制造过程中的偏差所造成的后果就越严重。这一点在单件价值高且几何形状复杂的零部件上表现得尤为明显。转子、压缩机、轴承和传动部件、汽轮机缸体和叶片，甚至是发电机轴，都涉及巨大的材料、机床及制造成本。 在此背景下，技术实施便成为战略杠杆。高效的制造工艺以及对相关切削技术的掌握，是实现可靠规划、规避风险—从而保障投资安全的核心前提条件。现代切削技术在此发挥着关键作用。因为它们决定了能否以工艺可靠且经济高效的方式制造高要求材料和复杂几何形状。视角正在发生转变：即便是最优秀的方案，也只有在工业条件下能够可靠、高效且可扩展地实施，才能真正取得成功。示例：发电机轴发电机轴是现代能源设备中最宏伟、制造工艺要求最高的部件之一；目前，一个200吨的毛坯价格高达500,000欧元，因此它们也属于成本最高的部件之一。 它们通常由以下部分组成：韧性强且相应难以加工的镍-铬-钼钢（26NiCrMo14-5）。在发电厂的大型汽轮发电机中，其长度可达15米左右，直径则达到1米及以上。 尽管如此，它们在运行时仍需以每分钟3 000至3 600转的速度旋转，以达到50赫兹和60赫兹的额定频率。这些尺寸数据清楚地表明，制造这些昂贵的巨型部件不仅需要付出非凡的努力，还伴随着极高的经济风险。要加工长度达16米、直径大于1米的发电机轴，需要专用机床和专用刀具。图片：Walter (瓦尔特) AG第三章：不仅方案至关重要， 实施同样重要图片：Adobe Stock6金属切削—能源转型的推动者？技术上最具挑战性的步骤之一是铣削纵向槽，后来励磁绕组的铜线将嵌入其中—也就是那些导电体，电流通过它们，从而产生发电机的磁场。 这些开槽必须具有精确成型的横截面。只有这样，才能将铜导体精准地安装、固定并进行完善的绝缘处理。若开槽的宽度、切削深度或平行度存在公差偏差，不仅会增加绕组难度、危及电气绝缘，还可能在运行中引发严重的热问题。表面质量是质量标准加工开槽时，决定性的质量标准是其表面质量：槽壁和槽底必须达到规定的粗糙度，因为它们会与绝缘材料或铜导体直接接触。 粗糙或不平整的表面可能会损坏绝缘层，降低热传导效率，甚至导致爬电电流—这对发电机的使用寿命及其运行安全性都会造成严重后果。为了对绕组槽的锥型侧壁进行精加工，会使用装有专为此设计的Wiper 修光刃可转位刀片的精加工铣刀。这些刀片专为满足槽轮廓的特殊要求而设计，必须具备极高的锋利度，才能在精加工过程中达到要求的表面质量。 对切削刀片切削刃质量、精度和涂层的要求同样极高。要求之高，以至于全球仅有少数几家刀具制造商（包括Walter (瓦尔特)）能够可靠地满足这些质量要求。工件尺寸进一步加剧了这一挑战。因为在高强度钢上铣削长达数米的开槽过程，不仅需要确保刀具引导过程的可靠性，还要求夹持状态极其稳定，并坚持不懈地对热量产生和刀具磨损进行控制。发电机轴（例如核电站中的）毛坯重量轻松可达